叶片含水率推扫式高光谱成像去条纹标定法优化

由推扫式高光谱成像系统所采集的图像中会出现特有的条纹噪声,这些噪声会穿过化学计量学模型,最终出现在反映被测指标空间分布情况的可视化预测图中,干扰其空间特征的呈现及解读。以银杏叶含水率为例,基于偏最小二乘回归(PLSR)预测模型,将经去条纹标定法处理后的图像分别与原始图像及经传统均值滤波增强后的图像进行比较,研究去条纹标定法对化学计量学指标空间分布预测的改进作用。去条纹标定法和传统均值滤波增强不会对感兴趣区域均值PLSR预测模型决定系数R^(2)_(P)产生明显影响,其随主成分数增加,呈先增后减趋势,当主成分数为10时R^(2)_(P)均达到最大,且预测准度相当。将化学计量学模型应用到像素光谱,进行指标空间分布预测时,随主成分数由6增至10,模型的波段增益系数逐渐增大,导致化学计量学可视化图像中条纹噪声逐渐增加:在由原始图像或经传统均值滤波增强图像得到的含水率可视化图像中,条纹噪声逐渐增加,甚至完全湮没叶面内部含水率空间分布信息;而去条纹标定法能够明显抑制本征条纹噪声,即使当主成分数增加到8时(R^(2)_(P)为0.88),含水率可视化图像仍然几乎不见条纹干扰,在叶面空间分布的细节特征依旧清晰可辨,显著提升对含水率空间分布的预测效果。比较研究表明,去条纹标定法明显抑制推扫式高光谱成像系统本征条纹噪声,能够提高靶向指标空间分布的可视化精度;在保留空间细节免受条纹干扰的情况下,得以采用波段增益系数更大的预测模型,从而提高指标空间分布的可视化预测准度。

宽视场推扫式成像光谱仪杂散光校正方法研究

为了满足海洋水色宽覆盖与高灵敏度探测的遥感需求,正在研制一台宽视场推扫式成像光谱仪原理样机,针对该仪器存在的杂散光现象展开了研究。由于推扫式成像光谱仪穿轨和沿轨方向上视场存在巨大差异,这导致穿轨方向上的杂散光远大于沿轨方向,并明显地表现在图像中。为了避免杂散光影响海洋水色的定量化反演,建立了杂散光模型,并以此为基础提出了杂散光校正的方法,同时给出了校正效果的定量化表征。结果表明,该方法可以利用实验数据有效地消除成像光谱仪视场内杂散光的影响。

适用于推扫式成像光谱仪的CCD拖尾扣除方法

拖尾(smear)现象是面阵CCD器件的固有问题。在推扫式成像光谱仪中,拖尾对成像的作用形式较为特殊,传统的扣除方案已不再适用,急需新的适合这一应用场合的方法。通过建立光谱仪中拖尾现象的数学模型,分析并仿真了常规拖尾扣除方法的失真问题,提出了适合推扫式光谱仪器的新方法。新方法使用已知图像信息估计景物的光谱分布,以此计算光学暗行通道所代表的拖尾信号在每个应用通道中的贡献,进而实现拖尾现象的扣除。遥感图像处理结果的较为理想的LSF表明,新方法效果良好,适用于推扫式成像光谱仪中CCD拖尾现象的扣除。

一种多狭缝推扫式光谱成像方法

高质量、高分辨率的遥感光谱数据获取受限于成像系统的光通量.针对传统推扫式的光谱仪当增加狭缝的光通量以提高信噪比时会降低空间分辨率这个问题,从信号处理角度为推扫式光谱成像系统建模,引入压缩感知理论,使得系统可以通过增加狭缝数目的方式来增加光通量.在理论上,该方法增加了光通量而没有降低空间分辨率.在仿真实验中,光通量增大128倍,用25%的曝光频率就可以很好地获得512×512的光谱图像.该光谱成像方法在遥感技术领域以较少的曝光次数、存储传输较少的数据就可以获得高质量的光谱数据.

异步推扫式遥感立体成像仿真系统

对三线阵CCD推扫式遥感立体成像方式进行了讨论,研究了推扫式遥感成像模型中的光学共线方程成像模型,分析了地形地貌梯度对推扫式遥感成像过程的影响。最后,在基于不变轨和固定姿态的前提下,以高斯合成曲面模拟三维地形地貌梯度,用数学仿真的方法验证了地形地貌梯度对推扫式遥感成像精度的影响,并结合嫦娥一号数据进行了分析。实验结果表明:推扫式遥感立体成像过程中,地形地貌起伏的梯度变化在飞行方向上引入了相邻轨图像的信息重叠或遗漏,在推扫方向上引入了投影误差。

推帚式超光谱成像仪光学系统的选择

能量利用率和宽视场是目前空间光学系统设计研究的热点之一。着重从能量、视场两方面分析了短波红外推帚式色散型超光谱成像仪望远系统和光谱仪系统的结构特点和光学性能。结果表明:采用离轴三反结构的望远系统+棱镜色散型光谱仪系统是比较好的方案。

机载推帚式高光谱成像仪实现宽视场的技术途径

随着焦平面探测器和分光技术水平的提高,世界上正在运行的高光谱成像仪已可以达到几十至几百个波段,并且有相当高的信噪比和动态范围,具备进入市场化运作的技术基础。但是由于仪器视场角较小所引起的遥感作业效率低等因素却限制了高光谱成像仪的应用范围。本文介绍世界上高光谱成像仪的发展现状和如何扩大系统总视场的几种方案。最后结合目前现有技术基础进行宽视场技术研究进行了初步讨论。

推扫式多挡增益光谱成像模拟及噪声分析

综合性遥感监测对载荷的灵敏度和动态范围都有较高的要求,为此提出一种基于逐像元多挡增益切换的光谱成像方法。不同于帧增益或者行列增益切换的成像方式,该方法利用4T-APS CMOS探测器无破坏读出的特点,可以进行像元级的增益优化。这种方式可以兼顾水体、植被、云层等多要素的成像需求,极大地提高了载荷的研制效益。其基本原理为探测器先进行全局曝光,然后根据多级积分电容的饱和判断,选取不饱和的最高增益信号以增益码加信号的形式下传。地面根据增益码对应的定标系数反推出像元真实辐射值。由于谱段多且为分段响应,为保证系统的定量化应用,建立多挡增益光谱成像模型并进行噪声分析具有重要意义。通过对噪声类型的分析,建立了多挡增益下的泊松-高斯噪声模型。基于该模型计算了像元受噪声影响以低增益读出的概率。结果表明,虽然噪声会影响读出增益的变化,但影响区间极小,入瞳辐亮度在5 mW·cm^(-2)·μm^(-1)·sr^(-1)以内,信号比增益挡位辐亮度分界值小0.05 mW·cm^(-2)·μm^(-1)·sr^(-1)即可保证正常读出的概率大于99.6%。随着信号增强,光子噪声增大,增益减小,影响区间扩大。根据多挡增益信噪比模型,分析得出光谱模式与合并通道模式下的信噪比变化。最后,利用宽波段成像光谱仪(WIS)数据作为入瞳辐亮度进行了四挡增益的推扫式光谱成像模拟,分析了多挡增益光谱图像的固有特点。根据噪声模型对中心波长为0.443μm的光谱图像添加1~3σ的随机噪声,分析了噪声对地物目标所处增益的影响。结果显示,在满足信噪比指标的前提下,该系统的单挡动态范围为74 dB,总动态范围可达114 dB。该方法不但提高了水体等弱信号的信噪比,而且可以保证建筑、云层等亮目标不饱和。成像模拟及噪声分析不仅有利于该载荷的后续研制,也可以为同类光谱仪器的设计提供参考。

一种实用化的机载线阵推扫成像光谱仪

在航空遥感中,线阵CCD传感器的应用越来越广泛,但是由于航空平台的姿态变化比较剧烈, 导致线阵CCD传感器影像很难处理和应用。详细描述了自行研制的一种实用化的线阵推扫成像光谱仪系统,并对飞行实验影像进行了处理,结果满足设计要求。

顾及光谱混叠的高光谱相机任意方向侧扫几何成像

以移动平台的线推扫式高光谱相机横向推扫成像不同于以卫星平台或飞机平台的竖直摄影成像方式,其属于水平方向推扫竖直方向成像,存在投影面选择、空间方位确定以及光顾混叠等问题。针对上述情况,详细推导了适合于线阵高光谱相机地面推扫的影像像素地理参考模型,可以进行任意方向的地面横向推扫成像;结合影像的地面采样间隔大小及推扫成像的区域范围,给出了地理参考后影像格网划分的一般过程;同时,考虑到在影像格网划分过程中存在的舍入误差,以及在影像校正过程中采用传统直接光谱采样可能造成的光谱掺杂问题,提出了基于地理参考后相邻像素重叠面积作为权重系数进行加权融合的改进光谱采样方法。最后进行了大量地面横向推扫成像实验,并依据上述算法进行了影像畸变校正,验证了线阵影像几何畸变校正算法的有效性及鲁棒性,同时,对校正好后的影像选用多个样本点进行了光谱数据验证,实验表明改进后的光谱采样方法明显优于直接光谱采样算法,为同类产品的地面应用提供参考。

基于高光谱成像的肉品检测去条带噪声方法

推扫式高光谱成像系统通常因电荷耦合器件(Charge Coupled Device,CCD)各像元响应不一致而产生条带噪声,该研究以猪肉为研究对象,设计一种基于多块标准反射率板进行逐波段逐像素相对辐射定标的去除条带噪声方法。该方法基于最小二乘法,利用不同反射率标准板的反射率值与CCD输出值,采用多项式拟合出接近于各个波段逐像元真实响应函数的拟合响应函数;选取每一波段图像中的任一像元作为参考,将其余像元与参考像元的拟合响应函数做差,作为其余像元的补偿函数,再采用样本的输出值加补偿值以校正样本。分别采用逐波段逐像素相对辐射定标法和传统矩匹配法对猪肉高光谱图像进行处理,并以四阶标准反射率板各反射区均值与参考值的绝对误差评估反射率校正结果。结果表明,逐波段逐像素相对辐射定法在有效去除条带噪声的同时,不会产生新的噪声,同时能够保持原始图像的灰度分布,校正后图像条带系数最大值比原始图像减少63.5%;相比矩匹配法,反射率误差大幅下降,其中条带系数最大波段(200波段)4个反射区的绝对误差为0.003~0.089,随机抽取波段(300波段)4个反射区的绝对误差为0.009~0.083。该研究为消除条带噪声提供了一种可靠方法,同时为提高后续基于推扫式光谱成像的指标空间可视化精度奠定了良好的基础。

Offner型成像光谱仪前置光学系统设计

针对Offner型成像光谱仪结构特点，总结了其前置望远系统的选型及设计原则；介绍了一种大视场、长焦距、像方远心离轴三反光学系统的设计方法；利用该方法优化设计了一款焦距800 mm，视场达8.6o×0.148o，工作波段0.9~5μm的星载Offner型成像光谱仪的前置望远光学系统。对其性能分析表明，在Nyquist频率16.7 lp/mm处，各谱段的调制传递函数值均在0.65以上，接近衍射极限，完全满足成像质量要求。同时证明了该设计方法可行，所设计系统结构紧凑，较易加工，适于空间遥感用Offner型成像光谱仪。

多目标无人机微型凝视高光谱成像仪辐射校正

微型凝视高光谱成像仪可以同时获取两个空间维度和一个光谱维度图像,且仅记录整个高光谱图像的外方位元素而不是记录每一帧图像的外方位元素,避免了扫描时的几何不稳定性,有效解决了小型线扫式高光谱成像仪成像几何变形大的问题,适合于姿态不稳定小型无人机负载平台。目前,研究大多集中于线扫式高光谱成像仪辐射校正方法。凝视型高光谱成像仪应用时间较短,国内外没有较为成熟的数据处理研究,阻碍了无人机微型凝视高光谱成像系统的应用。本文研究了无人机载微型凝视高光谱成像仪辐射响应线性度特性和辐射响应变异性的校正方法,并定量评估该方法的有效性。结果表明,辐射响应变异性校正前,高光谱图像存在明显的渐晕效应和条带现象,校正后,不同波段中像元的辐射响应变异系数显著下降,且渐晕效应和图像条带明显减少。本文提出了基于多目标辐射定标方法,并通过比较定标后的高光谱图像光谱与地面光谱仪实测地物光谱来验证辐射定标的精度。结果表明,多目标辐射定标方法的定标结果表现出更好的效果,特别对于近红外波段,与光谱仪实测的地物反射率差异较小。

“句芒”号卫星超光谱探测仪设计与系统验证

随着双碳目标的提出,碳监测定量化遥感技术的发展需求日益迫切,对日光诱导叶绿素荧光定量化的遥感监测可以作为植被实际光合作用效果和碳循环效能评价的重要手段。介绍了“句芒”号卫星的有效载荷之一超光谱探测仪的性能指标、设计方案、系统组成、验证结果及在轨运行情况。超光谱探测仪是面向太阳诱导植被荧光探测的精密光学仪器,系统采用了推扫成像和光栅色散分光的技术方案,经过测试验证,光谱分辨率优于0.3 nm,地面像元分辨率达到1.5 km,典型输入辐亮度条件下系统信噪比优于500,各项指标均满足和优于探测任务需求,具备高光谱分辨率、高信噪比、高稳定性的探测能力,其良好的表现将在植被监测和碳循环应用等方面发挥重要的作用。

数字微镜器件光谱成像技术进展

数字微镜器件(DMD)作为一种灵活、可编程、可独立寻址的空间光调制器件,广泛地应用于无掩膜光刻、光束整形、全息成像、共焦测量等领域。在光谱成像领域,DMD能够对成像视场进行精细可控的调制,从而代替传统的机械掩膜版和机械扫描结构。综述了近年来DMD在光谱成像领域的研究进展和应用情况,详细论述了基于DMD的编码孔径和推扫式光谱成像系统的光学系统基本结构及工作原理;梳理了基于DMD的光谱成像系统从哈达玛变换光谱成像到推扫式光谱成像的发展脉络;详细介绍了研究人员为克服DMD微镜的衍射以及像面倾斜等像差所做的相关研究工作。最后,总结了基于DMD的光谱成像技术的独特优势,讨论了基于DMD的光谱成像技术未来的发展方向与应用前景。

利用多时相的高光谱航空图像监测冬小麦条锈病

冬小麦发生锈病 ,叶绿素被大量破坏 ,水分蒸滕量大大增加 ,叶片细胞大小、形态、叶片结构发生了改变 ,从而改变了叶片和冠层的光学特性 ,使得遥感探测与评价成为可能。利用多时相的高光谱航空飞行图像数据 ,了解、分析和发现条锈病病害对作物光谱的影响及其光谱特征 ;设计了病害光谱指数 ,成功地监测了冬小麦条锈病病害程度与范围。对比 3个生育期的条锈病与正常生长冬小麦的PHI图像光谱及光谱特征 ,发现 :5 6 0— 6 70nm黄边、红谷波段 ,条锈病病害冬小麦的冠层反射率高于正常生长的冬小麦光谱反射率 ;近红外波段 ,条锈病病害的冠层反射率低于正常生长的冬小麦光谱反射率 ;

基于多时相航空高光谱遥感影像的冬小麦长势空间变异研究

精准农业技术是基于农田信息在空间和时间上存在的差异而实施的变量管理技术,本研究以2001年～2002年度在国家精准农业研究示范基地开展的冬小麦变量施肥对比试验为基础,获取冬小麦拔节期、灌浆初期及乳熟期的推扫式成像光谱仪(pushbroom hyperspectral imager,PHI)航空高光谱影像数据,提取反映冬小麦长势光谱参数,进行变量施肥处理区与常规处理区冬小麦长势空间变异的对比。研究发现,变量区与对照区光谱反射率分散度最大的区域主要集中在红边及近红外反射平台的附近,其中,乳熟期冬小麦光谱分散度最大,其次为拔节期和灌浆期。通过对比不同时相冬小麦长势信息,发现拔节期变量区作物长势空间变异程度要高于对照区,经过变量施肥处理后,灌浆期和乳熟期变量施肥区冬小麦长势空间变异程度低于对照区;对冬小麦产量的分析发现,变量区产量的总体空间变异小于对照区,但变量区总体产量略低于对照区。研究表明,利用遥感影像数据,可以及时获取作物长势的空间变异情况,为农业管理的生产、决策及时提供信息。

推扫式高光谱传感器集成的POS系统视准轴及位置偏差检校

推扫式高光谱传感器与其集成的定位定向系统(简称为POS系统)间的视准轴偏差是其影像直接对地目标定位的主要误差源之一。由于垂直下视推扫式高光谱影像连接点间构网强度较弱,不能够进行严密的光束法平差检校,本文将POS系统解算的外方位元素作为只含有系统误差的观测值,建立视准轴和位置偏差简单的光束法平差检校模型。实验结果表明,该检校模型可靠有效,实验区经检校后的直接对地目标定位精度显著提高,其平面中误差约1.4m(约4个像元),高程中误差约4.4m(约13像元)。

基于多重分形参数的高光谱数据特征提取

针对单一分形维数不能表征高光谱数据光谱局部吸收特征的问题,提出了基于光谱概率测度的多重分形参数特征提取方法.基于光谱信息度量进行光谱概率测度的计算,基于配分函数法估计得到尺度函数;通过对尺度函数求导计算出Holder指数,并对尺度函数勒让德Legendre变换计算出多重分形谱;从多重分形谱和Holder指数之间的函数关系提取表征多重分形谱形态的4个多重分形谱参数作为光谱特征参数;并应用于基于最小距离准则的航空推扫式高光谱成像仪(PHI,Prush-broom Hyperspectral Imager)图像监督分类.结果证明:利用基于光谱概率测度的多重分形参数特征提取方法提取的光谱特征参数进行分类得到的总体分类正确率达94.789%,分类精度明显高于利用信息量维数和多重分形谱特征提取方法进行分类的结果,证明了基于光谱概率测度的多重分形参数特征提取方法提取的多重分形参数的有效性和可靠性.

基于列相关的热红外高光谱遥感图像非均匀性校正

由于探测单元之间响应不一致、电子增益和偏置发生变化、焦平面污染和损伤等因素,推扫式热红外成像光谱仪获取的图像常常表现为图像列之间不均匀,条带噪声严重,影响了热红外高光谱遥感图像的后续处理和应用。结合推扫式成像光谱仪非均匀性的来源和成因,以相邻地物的相关性为理论基础,提出了适用于热红外高光谱遥感图像的非均匀性校正方法。该方法的步骤是,首先逐波段对原始热红外高光谱遥感图像进行标准矩匹配校正,得到标准矩匹配校正图像;然后,以标准矩匹配校正图像为基础,选择相邻两列像元中相同的地物像元;最后,用两列中相同的地物像元,通过线性回归得到后一列的校正系数,并对其进行校正,顺次遍历一个波段的所有列,完成一个波段图像的非均匀性校正。按照此过程,遍历一幅热红外高光谱遥感图像的所有波段,完成一幅热红外高光谱遥感图像的非均匀性校正。将该方法应用于推扫式热红外光谱成像仪实际获取图像的非均匀性校正中。结果表明,相比矩匹配方法,在保证非均匀性校正效果的情况下,本文方法的各列均值和标准差更符合实际情况。